非全厚式罩面加铺技术在高速公路“白改黑”的应用与探讨

韦举向, 杨旭东, 李禅禅, 沈洪江, 黄 峰

(1.招商中铁控股有限公司, 南宁 530000; 2.广西岑兴高速公路发展有限公司, 南宁 530000; 3.重庆市智翔铺道技术工程有限公司, 重庆 401336)

广西早期建设的大量高速公路水泥混凝土路面在抗滑和平整度等方面的性能逐渐降低,结构性病害显露,服务水平难以满足行车舒适性与安全性的需求,对水泥路面进行“白改黑”加铺符合广西公路建设的需要。如何在水泥路面改造中兼顾节能减排、经济性、舒适性和铺装结构的耐久性成为热点关注对象。基于当前双碳政策影响下,岑兴高速水泥路面“白改黑”项目采用了一种新型的水泥路面加铺结构——非全厚式加铺结构,即由高性能粘结层+2.5 cm应力吸收层+4 cm改性沥青SMA13磨耗层构成的铺装结构。相较传统的“白改黑”加铺层,新型铺装层厚度减薄,直接经济效益和社会环境效益突出,尤其在养护资金的最优值利用和天然筑路材料的最低化消耗方面优势显著。但因“白改黑”路面结构与一般连续弹性体系路面结构的应力应变特征存在差异[1-2],使得接缝处的荷载型反射裂缝、温度型反射裂缝[3-5]、刚柔层间粘结性能成为影响加铺结构耐久性的关键因素[6]。传统铺装层依靠叠加厚度解决[7],但路面标高的增加将带来桥隧过渡困难、工程造价高、工期长、安全隐患大等问题。

为此,本文就岑兴高速水泥路面非全厚式罩面加铺工程所用铺装方案材料展开前期研究,对实体工程的应用效果进行评价,并分析经济社会效益,供同类水泥路面“白改黑”方案实施参考。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

1.2 试验方案

根据非全厚式罩面加铺技术各结构的功能属性进行相关试验,试验方案如下:

1) 新旧结构层间强度试验。旧水泥路面和加铺层的层间粘结性能是决定非全厚式罩面耐久性的关键因素之一[8-10],当前评价层间粘结性能的指标主要以剪切强度和拉拔强度为主。为尽可能模拟实际情况,本文采取以下试验:(1) 将成型后的水泥混凝土试件进行精铣刨和抛丸处理;(2) 撒布粘层材料后进行加铺成型组合结构,并通过切割获取相应试件;(3) 测试各粘层材料在最佳撒布量条件下25 ℃时的拉拔强度及剪切强度;(4) 考虑多雨环境下对刚柔层间粘结性能的影响,比较组合试件在浸水24 h的粘结性能;(5) 针对广西地区高温持续时间长,增测55 ℃条件下的粘结性能。

2) 应力吸收层性能试验。应力吸收层的主要作用是延缓旧水泥路面因接缝处应力变化反射裂缝发展[11-13],但为保证整体结构层的耐久性,其路用性能也应满足工程所在地实际需求。本文主要通过以下试验完成:(1) OT试验测试不同应力吸收层抗反射裂缝性能和组合结构抗反射裂缝性能[14-16];(2) 马歇尔试验测试应力吸收层混合料体积指标及强度参数;(3) 浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验测试水稳定性;(4) 四点弯曲疲劳试验测试疲劳加载次数。

3) 磨耗层性能试验。磨耗层作为表面层将直接与大气环境及车辆荷载接触,因此需保证良好的高温性能、水稳定性、抗滑性能以及疲劳性能。本文采用车辙试验、低温弯曲试验、浸水飞散试验、四点弯曲疲劳试验等评价方法对比磨耗层相关性能。

2 试验结果

2.1 不同粘层材料粘结强度性能对比

各粘层材料在最佳撒布量条件及不同水泥界面预处理方式下的25 ℃拉拔强度和剪切强度试验结果如表1所示,其中考虑车型荷载及纵坡对路面层间剪切力及拉应力的影响,采用斜剪试验测试剪切强度。

表1 不同粘层材料的拉拔强度及剪切强度

由表1数据可知,在相同条件下,GS溶剂型粘结剂的拉拔强度和剪切强度均大于改性乳化沥青,且随着温度的升高,2种粘层的强度均有所损失。GS溶剂型粘结剂在不同基面处理方式下拉拔强度分别降低了56.2%、54.0%、51.2%,剪切强度分别降低了41.4%、39.3%、38.5%,改性乳化沥青在不同基面处理方式下拉拔强度分别降低了69.0%、57.1%、55.1%,剪切强度分别下降了60.2%、55.4%、47%,由此可见,GS溶剂型粘结剂在抵抗高温时的粘结强度损失更低。在浸水24 h后,GS溶剂型粘结剂拉拔强度和剪切强度损失分别为5.8%、5.4%、4.1%和5.2%、4.8%、3.6%。相较基面未处理试件的粘结强度,GS粘结剂在25 ℃时拉拔强度分别提高了12.6%、17.4%,剪切强度分别提高了7.8%、19.7%,其中抛丸工艺提升程度更高。以上分析表明,对旧水泥路面的基面进行抛丸,使其粗糙化,能够增加刚柔2层的粘结性能。

2.2 不同应力吸收层性能对比

在最佳油石比条件下,不同应力吸收层沥青混合料路用性能试验结果如表2所示;不同组合结构下,不同类型应力吸收层的抗反射裂缝性能试验结果如表3所示。

由表2可知,在空隙率、水稳定性和渗水系数方面,采用SBS改性沥青AC-10作为应力吸收层可获得更好的密实性,同时降低了水流渗入到层间的几率;在高温性能方面,AC-10低于橡胶沥青应力吸收层和SBS改性沥青SMA-10。相较抗反射裂缝性能和疲劳寿命,橡胶沥青因其特有的高粘性和高弹性[17],使得应力恢复能力更强,抵抗由上至下的疲劳和由上至下的反射开裂的能力更优异,但高粘性使得材料品质和施工程序难以控制,特别是摊铺厚度薄、温度散失快等问题易引起质量问题。AC-10和SMA-10两者的抗裂性较为接近,SMA-10虽然是间断级配,但通过细集料、矿粉和纤维构成的砂浆充实空隙使得抗裂性能提高,而AC-10属于悬浮密实级配,有助于提升抗裂性能。综上分析,结合材料性能、成本、施工控制难度等因素,推荐采用SBS改性沥青AC-10作为应力吸收层。

在2018云南企业100强、制造业企业50强榜单中，云南祥丰实业集团有限公司位列云南企业100强第34位，位列云南制造业50强第14位。

表2 不同应力吸收层路用性能试验结果

表3 不同组合结构抗反射裂缝性能试验结果

由表3加载周期数结果可知,方案4抗反射裂缝性能效果最佳,其次是方案5,而方案1无任何处理,效果最差。为进一步比较各方案抗裂能力,引入断裂能指标,通过计算加载1 200次位移力值曲线计算的断裂能的变化规律与直接加载的结果变化规律一致。对比组合结构中不同抗裂贴的应用效果可知,采用特制的薄层专用抗裂贴的加载次数提高了48.7%,表明该方案可有效改善抗反射裂缝性能。从经济、效果、施工难度等综合考虑,薄层专用抗裂贴+AC-10的方案可优先成为非全厚式罩面加铺技术中的应力吸收层。

2.3 不同磨耗层路用性能对比

不同磨耗层沥青混合料路用性能试验结果如表4所示。

表4 不同磨耗层路用性能试验结果

由表4可知,SBS改性沥青SMA-13混合料的动稳定度最佳,表明其抗高温变形能力优于其余2种沥青混合料,由于SMA-13属于间断级配,粗集料构成骨架,细集料进行填充,经成型后构造深度大于其余2种混合料,使得路面初期抗滑性能较高;SBS改性沥青AC-10混合料因密实性更好,使得在水稳定性和渗水性能方面优于其余2种磨耗层混合料;橡胶沥青混合料因废胶粉在沥青里面的溶胀发育形成具有高弹性特点的胶结料,在承受重载交通的条件下抑制温度型和荷载型疲劳裂缝效果较优。为了兼顾磨耗层混合料性能以及沥青胶结料加工的难易程度,考虑SBS改性沥青SMA-13混合料作为磨耗层加铺方案。

3 实体工程应用效果

3.1 工程概况

岑溪至兴业高速公路是G80广昆高速公路的组成部分,东起于岑溪市上奇社区上垌村南侧(K271+693),西止于兴业县山心镇(K397+193)。路线主线全长125.5 km,路基宽28 m,双向4车道,设计时速120 km;本次非全厚式加铺技术主要应用于主线路段及玉林连接线路段,全长39.786 km。根据现场调查结果,局部路段破损严重,主要病害为破碎板、横向裂缝、纵向裂缝、板角裂等病害。各路段原路面结构如图1所示。

(a) 土质路段路面结构

(b) 石质路段路面结构

3.2 非全厚式罩面加铺方案

单位:cm

3.3 非全厚式罩面性能检测

为保证非全厚式罩面的铺装质量和路面性能,本项目分别对刚柔层间粘结层、应力吸收层和磨耗层进行了必要的质量检测,应力吸收层的主要检测项目包括稳定度、流值和渗水系数,磨耗层的主要检测项目包括稳定度、路面渗水系数、路面压实度以及路面平整度,具体检测结果如表5、表6所示。

针对不同路段、不同工况,提取标准试件在同等条件下进行规范养护,检测其成品稳定度、流值和渗水系数,其中稳定度和流值试验共提取18个标准试件,渗水系数试验则采取随机抽样试验,结果如图3、图4所示。

由图3和图4可知,改性沥青 AC-10应力吸收层的稳定度均值为12.16 kN,最小值为10.28 kN,均大于最低限值8 kN,流值平均值为3.24 mm,最低值为2.9 mm,最高值为3.8 mm,均处于2 mm～4 mm之间;改性沥青SMA-13磨耗层的稳定度均值为13.53 kN,最小值为12.02 kN,均大于最低限值6 kN,流值平均值为3.16 mm,最低值为2.6 mm,最高值为3.9 mm,均处于2 mm～4 mm之间。此外两者渗水系数均远小于规范设计要求。

表5 刚柔层间粘结性能及AC-10应力吸收层性能检测结果

表6 SMA-13磨耗层性能检测结果

图3 沥青混合料稳定度及流值试验结果

图4 沥青混合料渗水系数试验结果

3.4 非全厚式加铺方案社会经济效益分析

相较传统加铺“4 cm厚SBS改性沥青SMA-13+5.0 cm改性沥青AC-20+2.5 cm SBS改性沥青AC-10应力吸收层”,非全厚式加铺无论是在施工难度和环境影响方面都比较低,加上充分发挥了原路面结构作用,降低了施工工程量,使得整体造价大幅度降低。同时,非全厚式加铺方案工序更少,工期更短,对交通通行干扰更低。相较铣刨,采用抛丸处理仅需回收钢珠,清理表面灰尘,而铣刨1 cm厚的水泥板会产生24.5 kg/m2废渣,且强度有限,铣刨深度越厚,需处治的废渣就越多。

根据《综合能耗计算通则》(GB/T 2589—2020)[18]以及《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[19],对非全厚式加铺方案的成本及排放分析进行对比,结果如表7、表8所示。

由表7可知,非全厚式罩面加铺技术相较传统加铺方式,在造价上节约近2 934万元,且未包含桥隧、交安设施的改造、迁移费用,具有良好的经济效益。表8数据表明,非全厚式摊铺在性能相当的前提下,可节约40%以上天然砂石材料、26.3%的沥青用量、40%以上的燃油资源消耗,减少40.1%的二氧化碳排放,具备良好的社会环境效益。

表7 加铺方案成本对比

表8 加铺方案排放分析

4 结论

依托岑兴高速“白改黑”工程项目,针对非全厚式罩面加铺技术的方案、应用效果、成本、排放等方面展开了分析,并得到以下结论:

1) 通过室内对非全厚实罩面加铺技术各关键层次的材料优选及实施效果表明,采用溶剂型粘结层 +2.5 cm SBS改性沥青AC-10(接缝处加设薄层专用抗裂贴)+4 cm SBS改性沥青SMA-13的铺装结构具有一定可行性。

2) 层间粘结性能试验结果表明,GS溶剂型粘结剂作为刚柔层间的粘层材料,其拉拔强度和剪切强度均优于改性乳化沥青;在高温和雨水侵蚀条件下,GS溶剂型粘结剂的粘结强度损失相较改性乳化沥青的更低;组合试件的水泥基面经抛丸和精铣刨处理后能够提高层间粘结强度,但抛丸工艺强度提升更显著,建议工程后期施工可采取抛丸工艺使水泥界面粗糙化。

3) 对比应力吸收层路用性能,SBS改性沥青AC-10的抗反射裂缝性能不及橡胶沥青,但与SMA-10相当的情况下,AC-10的水稳定性和渗水性能更佳,能在满足抗反射裂缝的条件下拥有更好的耐久性;对比接缝处不同组合结构的抗反射裂缝性能,采用薄层专用贴+2.5 cm AC-10+4 cm SMA-13组合在抗反射裂缝的加载次数和断裂能这2个指标处于较优水平;对比磨耗层路用性能,SMA-13能够更好兼顾高温性能、水稳定性、疲劳性能以及抗滑性能。

4) 经过对非全厚式加铺技术实施后的检测结果表明,刚柔层间粘结强度、路面平整度、渗水系数等主要参数均满足设计要求;相较传统水泥路面“白改黑”沥青加铺层,在性能相当的前提下,非全厚式罩面加铺技术可大幅缩减工程造价,具有良好的经济效益,且随着工序的减少,既降低了对交通的干扰,又大量降低了资源消耗和碳排放,具有良好的社会效益。